(57)【要約】【課題】  従来技術は温度によって傾斜センサ出力が変化する点や、発熱抵抗体の発熱で生じる気体の対流の影響について配慮がされておらず、温度変化で出力が変化したり、対流の影響で出力が安定しないという問題があった。【解決手段】  発熱抵抗体は周囲温度に対し、およそ一定温度だけ高くなるように定温度差制御し、また、定温度差制御用ブリッジ回路を構成する４辺の抵抗を全て同じ傾斜センサ素子上に同じ材料で形成したものである。また、傾斜センサ素子の表面と該傾斜センサ素子を実装する部材の表面とが同じ高さになるように実装し、さらに傾斜センサ素子の表面とほぼ平行に平板を近接させ、かつ傾斜センサ素子と平板間の隙間が０.１mmから０.８mmの範囲になるようにしたものである。【効果】  本発明により温度特性に優れ、高精度な傾斜センサを提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に薄肉部を形成し、薄肉部の中央付近に発熱抵抗体を配置し、その周囲に少なくとも１つ以上の温度センサを配置した構造の傾斜センサ素子を有し、前記温度センサの温度に基づき傾斜度を計測する傾斜センサであって、
前記発熱抵抗体は周囲温度に対しておよそ一定温度だけ高くなるように定温度差制御されることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項２】
基板に薄肉部を形成し、薄肉部の中央付近に発熱抵抗体を配置し、その周囲に少なくとも１つ以上の温度センサを配置した構造の傾斜センサ素子を有し、前記温度センサの温度に基づき傾斜度を計測する傾斜センサであって、
前記温度センサを４辺からなる温度検出用ブリッジ回路の少なくとも１辺に配置し、かつ前記温度センサを含めた温度検出用ブリッジ回路を構成する４辺の抵抗を、同じ材料を含んで傾斜センサ素子に形成したことを特徴とする傾斜センサ。
【請求項３】
請求項１，２記載の傾斜センサにおいて、
傾斜センサ素子に形成される発熱抵抗体は４辺からなる定温度差制御用ブリッジ回路の１辺に配置されて定温度差制御されると共に、前記発熱抵抗体を含めた前記定温度差制御用ブリッジ回路を構成する４辺の抵抗が同じ材料を含んで傾斜センサ素子上に形成されていることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項４】
基板に薄肉部を形成し、薄肉部の中央付近に発熱抵抗体を配置し、その周囲に少なくとも１つ以上の温度センサを配置した構造の傾斜センサ素子を有し、前記温度センサの温度に基づき傾斜度を計測する傾斜センサであって、
前記傾斜センサ素子の表面と該傾斜センサ素子を実装する部材の表面とが同じ高さになるように実装された構造を特徴とする傾斜センサ。
【請求項５】
基板に薄肉部を形成し、薄肉部の中央付近に発熱抵抗体を配置し、その周囲に少なくとも１つ以上の温度センサを配置した構造の傾斜センサ素子を有し、前記温度センサの温度に基づき傾斜度を計測する傾斜センサであって、
前記傾斜センサ素子の表面とほぼ平行に平板が近接される構造を特徴とし、該傾斜センサ素子と平板間の隙間が０.１mmから０.８mmの範囲であることを特徴とする傾斜センサ。
【請求項６】
基板に薄肉部を形成し、薄肉部の中央付近に発熱抵抗体を配置し、その周囲に少なくとも１つ以上の温度センサを配置した構造の傾斜センサ素子を有し、前記温度センサの温度に基づき傾斜度を計測する傾斜センサであって、
傾斜センサ素子の裏面が支持体に支持されると共に、表面側が保護キャップで覆われた構造を有し、かつ該傾斜センサ素子部の圧力が逃げるよう保護キャップ、あるいは支持体の一部に換気穴を設けたことを特徴とする傾斜センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や各種機械装置においてその傾斜度を計測するのに用いられる傾斜センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発明は、特許文献１に記載のように絶縁膜上にヒータと少なくとも一対の温度検出素子を備え、密封部材で密封した構造となっていた。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２１０６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術は温度によって出力が変化する点や、ヒータを駆動した時に生じる気体の対流の影響について配慮がされておらず、温度変化で出力が変化したり、対流の影響で出力が安定しないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題を改善することを目的としており、これにより温度特性に優れると共に高精度な傾斜センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために傾斜センサ素子に形成した発熱抵抗体は周囲温度に対し、およそ一定温度だけ高くなるように定温度差制御したものである。
【０００７】
また、傾斜センサ素子に形成する温度センサを、４辺からなる温度検出用ブリッジ回路の１辺に配置すると共に、温度検出用ブリッジ回路を構成する４辺の抵抗を傾斜センサ素子上に同じ材料で形成したものである。
【０００８】
また、傾斜センサ素子に形成される発熱抵抗体は４辺からなる定温度差制御用ブリッジ回路の１辺に配置されて定温度差制御されると共に、前記の定温度差制御用ブリッジ回路を構成する４辺の抵抗を傾斜センサ素子上に同じ材料で形成したものである。
【０００９】
また、傾斜センサ素子の表面と該傾斜センサ素子を実装する部材の表面とが同じ高さになるように実装したものである。
【００１０】
また、傾斜センサ素子の表面とほぼ平行に平板を近接させ、かつ傾斜センサ素子と平板間の隙間が０.１mmから０.８mmの範囲になるようにしたものである。
【００１１】
また、傾斜センサ素子の裏面が支持体に支持されると共に、表面側が保護キャップで覆われた構造を有し、かつ傾斜センサ素子部の圧力が周囲温度変化によって変化しないよう保護キャップ、あるいは支持体の一部に換気穴を設けたものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の発明によれば、発熱抵抗体は周囲温度に対しておよそ一定温度だけ高くなるように定温度差制御を行うので、周囲温度が変化したときの出力変化を軽減でき、温度特性の改善ができるという効果がある。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、温度センサを４辺からなる温度検出用ブリッジ回路の少なくとも１辺に配置し、かつ４辺の抵抗を、同じ材料を用い、同じプロセスで傾斜センサ素子上に形成するので、４辺の抵抗比ばらつきを抑えられること、及び抵抗温度係数のばらつき低減が可能となる。これにより、初期の出力ばらつきと温度変化時の出力ばらつきを低減できるという効果がある。また、同じ材料で構成することで、経時劣化による抵抗変化の傾向も同じになるので、抵抗比変化による加熱温度の変化を防止できる。
【００１４】
請求項３記載の発明によれば、発熱抵抗体は４辺からなる定温度差制御用ブリッジ回路の１辺に配置されて定温度差制御されると共に、４辺の抵抗を同じ材料、同じプロセスで同じ傾斜センサ素子上に形成できるので、ブリッジの抵抗比ばらつきと抵抗温度係数のばらつきを低減できる。
【００１５】
これにより、温度特性ばらつきと初期精度ばらつきの低減ができ、かつ発熱抵抗体の加熱温度の無調整化による生産性向上が図れるという効果がある。また、同じ材料で構成することで、経時劣化による抵抗変化の傾向も同じになるので、抵抗比変化による加熱温度の変化を防止できる。
【００１６】
請求項４記載の発明によれば、傾斜センサ素子の表面と該傾斜センサ素子を実装する部材の表面とが同じ高さになるように実装したので、自然対流の流れが乱れることを防止でき、傾斜センサ裏面に形成された空洞への気体の回り込みも防止できる。これにより出力ノイズが低減され、さらに個体間の出力ばらつきも低減でき、高精度化が可能となるという効果がある。
【００１７】
請求項５記載の発明によれば、傾斜センサ素子の表面とほぼ平行に平板が近接し、該傾斜センサ素子と平板間の隙間を０.１mmから０.８mmの範囲にすることで、自然対流の流れを安定化と感度確保を両立させることができ、これにより出力ノイズの低減による高精度化が可能になるという効果がある。
【００１８】
請求項６記載の発明によれば、傾斜センサ素子は保護キャップで覆われると共に、保護キャップ内の圧力が逃げるよう保護キャップ、あるいは構成部材の一部に換気穴を設けることで、周囲温度変化時の内圧変化を防止でき、内圧による応力で傾斜センサ素子が歪んで特性変化するのを防止できる。これにより温度特性の改善が可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。
【００２０】
図１は本発明の傾斜センサ素子２の正面図である。図２は図１のＡ−Ａ部の断面図である。
【００２１】
傾斜センサ素子２は、図１，図２に示すように薄肉部９の中央付近に発熱抵抗体３を配置し、その周囲に温度センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを配置した構造である。
【００２２】
その傾斜センサ素子２の製造には、例えばシリコン等の半導体基板を用いて半導体マイクロマシニング技術を利用することが可能である。すなわち、基板８は例えばシリコン等の半導体基板を用い、絶縁膜１１，１２を酸化シリコンや窒化ケイ素等で形成し、絶縁膜１１，１２の間に白金膜、あるいはニッケル膜等の金属膜、あるいはポリシリコン等の半導体材料を用いて発熱抵抗体３や温度センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを形成する。また、外部との電気的な接続をするためにアルミニウム等で形成された電極１０が形成されている。薄肉部９は、傾斜センサ素子２の裏面からアルカリ溶液等を用いたエッチングを行うことで形成でき、図２に示すようにエッチング後は裏面側に空洞１３が形成された状態となる。
【００２３】
なお、温度センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは温度が検出できれば良いので熱電対のようなものであっても問題ない。また、図１では温度センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを４つ示したが、一方向だけの情報を得るだけであれば、２つで十分であり、精度が不要であれば１つだけでも実現可能である。
【００２４】
傾斜センサ素子２の大きさは、３mm×３mm×０.４mm 程度であり、また薄肉部９の厚さは０.００１mmから０.０１mm程度である。薄肉部９に発熱抵抗体３や温度センサ４ａ，
４ｂ，４ｃ，４ｄを形成することで、発熱抵抗体３から基板８への熱逃げを軽減し、かつ温度センサの感度を上げることができる。
【００２５】
また傾斜センサ素子２は、半導体プロセスを用いることにより非常に小型で、大量生産が可能なものとなる。
【００２６】
傾斜センサ素子２の出力は、仮に発熱抵抗体３の温度が一定温度で制御された場合を考えると、周囲温度の上昇に伴い発熱抵抗体３温度と周囲温度の間の温度差が減少し、出力が低下してしまう。
【００２７】
そこで、このような誤差を軽減するために、周囲温度に対し、常に一定温度差だけ加熱できるよう、図３に示すように発熱抵抗体３，周囲温度検出用抵抗体５，抵抗体６，７を組み合わせたブリッジ回路を形成して、増幅器２１によるフィードバックにより、トランジスター２２に流す電流を制御することにした。これにより常に周囲温度に対し一定温度差だけ高くなるようにした。
【００２８】
抵抗体６，７は固定抵抗でも良いが、固定抵抗も厳密には抵抗温度係数がゼロでは無く、±５０ppm／℃ 程度あるので、周囲温度が変化すると抵抗値が変化してしまう。そうすると、周囲温度の変化に伴い発熱抵抗体３の加熱温度差のばらつきが増加してしまう。
【００２９】
また、発熱抵抗体３の加熱温度は、ブリッジ回路を構成する各抵抗体の抵抗値ばらつきの影響で変化するので、抵抗体６，７等の抵抗を調整する必要がある。
【００３０】
このような周囲温度が変化したときの加熱温度差のばらつき増加を抑えるとともに、抵抗体６，７の抵抗調整をしないでも済むようにできれば、温度特性や生産性に優れた傾斜センサ１となる。
【００３１】
そこで、図１に示すように一つの傾斜センサ素子２内に発熱抵抗体３，周囲温度検出用抵抗体５，抵抗体６，７を同じプロセスで同じ材料で同時に形成することにした。
【００３２】
この方法だと、ブリッジを構成する抵抗体の抵抗値はばらつくが、抵抗比はほとんどばらつかないので、無調整でも加熱温度を一定にできる。また、抵抗温度係数もロット間ばらつきは大きいものの、同一の傾斜センサ素子２内でのばらつきはほとんど無いので、周囲温度変化時の加熱温度ばらつきを低減できる。これにより、温度特性ばらつきの低減と生産性の向上が可能となる。また、同じ材料で構成することで、経時劣化による抵抗変化の傾向も同じになるので、抵抗比変化による加熱温度の変化を防止できる。
【００３３】
なお、各抵抗体の幅や長さはできるだけ同じになるように設計すると、抵抗比のばらつきがより一層抑えられるので有利である。
【００３４】
但し、図３の回路構成の場合、周囲温度が変化したときの発熱抵抗体３の加熱温度差は厳密には一定にはならない。通常、抵抗温度係数は正の値であるため、例えば温度上昇時には加熱温度差はより大きくなる。また、気体の熱伝導率や粘性係数が温度によって変化し、一般には熱伝導がよくなって傾斜センサの出力が増加する傾向を示す。
【００３５】
そこで、加熱温度差の調整用として図４のように周囲温度検出用抵抗体５に直列に固定抵抗体３０を接続することで、周囲温度上昇時の加熱温度差の増加を抑えることができ、より一層温度特性の改善が可能となる。なお、固定抵抗体３０は周囲温度検出用抵抗体５に並列に接続しても同様の効果が得られる。
【００３６】
次に図５，図６を用いてその他の発明を説明する。
【００３７】
図５は図１に示した傾斜センサ素子２に対し、抵抗体２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄが温度センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに直列に追加されたものである。そして抵抗２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄと温度センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは同じ材料、同じプロセスで同時に形成されたものである。
【００３８】
その温度センサ部の温度検出用ブリッジ回路の構成を図６に示す。図６に示すように出力３２ａ，３２ｂは温度センサ４ａ，４ｄの分圧、及び４ｂ，４ｃの分圧からそれぞれ得られる。
【００３９】
このときブリッジを構成する抵抗２３ａ，２３ｄ，２３ｂ，２３ｃは固定抵抗で形成しても動作するが、抵抗比が一定にならないことや、抵抗温度係数がばらつくために、初期の出力ばらつきや温度変化時の出力ばらつきが大きいという課題がある。そこで温度検出用ブリッジを構成する全ての抵抗を、同じ材料，プロセスで同じ傾斜センサ素子２内に形成することで、ブリッジを構成する各抵抗体の抵抗比ばらつきを軽減すると共に、抵抗温度係数ばらつきを抑え、これにより初期の出力ばらつきや温度変化時の出力ばらつきを抑えることが可能となる。
【００４０】
また、同じ材料で構成することで、経時劣化による抵抗変化の傾向も同じになるので、抵抗比変化による加熱温度の変化を防止できる。
【００４１】
なお、各抵抗体の幅や長さはできるだけ同じになるように設計すると、抵抗比のばらつきがより一層抑えられるので有利である。
【００４２】
次に図７，図８，図９，図１０を用いてその他の発明について説明する。
【００４３】
図７は傾斜センサ１の正面図であり、図８はそのＢ−Ｂ断面図である。
【００４４】
図７，図８に示すように傾斜センサ１は傾斜センサ素子２，傾斜センサ素子２を固定する支持体２０，傾斜センサ素子２を保護すると共に、外部の対流影響を無くすための保護キャップ１６，傾斜センサ素子２を駆動したり、傾斜センサ素子２の信号を補正演算し、増幅して外部へ出力するための電子部品１７，電子部品１７を保護するためのシリコーンゲル１８，コネクター１５を有するハウジング１４，カバー１９等から構成される。
【００４５】
図９は図８の傾斜センサ素子２部の部分詳細図である。図９に示すように、傾斜センサ素子２は支持体２０に接着剤２６で接続され、さらに保護キャップ１６で覆われている。そして保護キャップ１６、あるいは支持体２０には換気穴２４ａ，２４ｂ，２５が形成されている。
【００４６】
傾斜センサ素子２が保護キャップ１６で完全に密閉された状態の場合、周囲温度変化時に、傾斜センサ素子２部の気圧が変化し、傾斜センサ素子２や保護キャップ１６，支持体２０に大きな応力を発生させてしまう。この応力により、傾斜センサ素子２が歪んでしまい感度変化する場合がある。
【００４７】
そこで、保護キャップ１６、あるいは支持体２０に換気穴２４ａ，２４ｂ，２５を形成することで、内圧変化を防止して特性の変化を防止することが有効となる。これにより、温度特性ばらつきの低減や信頼性の改善が可能となる。
【００４８】
また図９に示すように、傾斜センサ素子２の表面と支持体２０の表面が、ほぼ同一面になるように支持体２０に窪みを形成し、そこに傾斜センサ素子２を実装すると、出力ノイズが低減され、さらに個体間の出力ばらつきも低減でき、高精度化が可能となる。
【００４９】
これは、傾斜センサ素子２と支持体２０の間に段差があると、発熱抵抗体の加熱によって生じた自然対流の流れが安定せず、また、傾斜センサ素子２の裏面に形成された空洞
１３部への気体の回り込み等で個体間の出力ばらつきが増加したものである。
【００５０】
それに対し支持体２０に窪みを形成し、そこに傾斜センサ素子２を実装してやることで、自然対流の流れが乱れることを防止でき、空洞１３への気体の回り込みも防止できるため、高精度化が可能となる。
【００５１】
更に、図９に記号Ｇで表した傾斜センサ素子２の表面と保護キャップ１６の平板面との間の隙間寸法も特性の安定化に非常に重要である。
【００５２】
隙間が大きくなると、自然対流の流れ自身は比較的不安定なため、出力ノイズが大きくなる。逆に隙間が小さすぎると自然対流自身を阻害し、感度低下により出力ノイズが大きくなる。
【００５３】
そこで傾斜センサ素子２表面と平行に形成した平板面の隙間寸法と、出力ノイズの関係を測定し、図１０に示す。
【００５４】
図１０に示すように、隙間寸法が０.１mmから０.８mmの範囲になるように構成することで、出力ノイズを低減して高精度化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の傾斜センサ素子の正面図である。
【図２】本発明の傾斜センサ素子の断面図である。
【図３】本発明による発熱抵抗体の駆動回路図である。
【図４】本発明による発熱抵抗体の駆動回路図である。
【図５】本発明によるその他の一実施例である傾斜センサ素子の正面図である。
【図６】本発明による温度センサを含む温度検出用の回路図である。
【図７】本発明による傾斜センサ正面図である。
【図８】本発明による傾斜センサ断面図である。
【図９】本発明の傾斜センサ素子の実装部の部分断面図である。
【図１０】本発明の効果を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５６】
２…傾斜センサ素子、３…発熱抵抗体、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…温度センサ、５…周囲温度検出用抵抗体、６，７…抵抗体、８…基板、９…薄肉部、１０…電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005326321.tif 000008
【図７】
2005326321.tif 000009
【図８】
2005326321.tif 000010
【図９】
2005326321.tif 000011
【図１０】
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